Cette nouvelle race de générateur peut fonctionner avec presque n'importe quel carburant

Jul 04, 2023

Le générateur linéaire de Mainspring pourrait accélérer la transition vers un réseau électrique sans carbone

Les techniciens travaillent sur le cadre d'un noyau de générateur linéaire.

Nous sommes en janvier 2030 et votre pompe à chaleur électrique chauffe la maison pendant que votre voiture électrique se charge dans le garage, le tout alimenté par des panneaux solaires sur votre toit et par des générateurs éoliens et solaires de votre service public local. Peu importe qu'il pleuve depuis deux semaines, car votre service public puise dans l'ammoniac produit par le soleil de l'été dernier. Il consomme cet ammoniac dans un générateur linéaire.

Le générateur linéaire peut rapidement basculer entre différents types de carburants verts (et pas si verts, si besoin est), y compris le biogaz, l'ammoniac et l'hydrogène. Il a le potentiel de rendre le système électrique décarboné disponible, fiable et résistant aux aléas climatiques et à l'approvisionnement en carburant. Et ce n'est pas un fantasme; il a été développé, testé et déployé commercialement.

Les cofondateurs de Mainspring Energy, dont je fais partie, ont passé 14 ans à développer cette technologie, et en 2020, nous avons commencé à la déployer commercialement. Il est actuellement installé sur des dizaines de sites, produisant chacun de 230 à 460 kilowatts. Nous nous attendons à ce que des génératrices linéaires soient mises en service à de nombreux autres endroits au cours de la prochaine année.

L'histoire du générateur linéaire a commencé il y a près de deux décennies au Advanced Energy Systems Laboratory de l'Université de Stanford, lorsque le professeur de génie mécanique Christopher Edwards a demandé à certains d'entre nous un doctorat. aux étudiants une question simple : "Quel est le moyen le plus efficace et le plus pratique possible de convertir l'énergie des liaisons chimiques en travail utile ?"

Nous avons commencé par considérer les piles à combustible, car elles peuvent être très efficaces. Mais les piles à combustible utilisent des catalyseurs pour déclencher les réactions chimiques qui libèrent de l'énergie, et les catalyseurs coûtent généralement cher, se dégradent avec le temps et réagissent mal aux changements rapides de charge. Nous avons donc commencé à chercher une alternative.

Nous savions que nous pouvions déclencher la libération d'énergie simplement en comprimant un mélange d'air et de carburant. Voici comment cela fonctionnerait.

La réaction efficace, propre et sans flamme au cœur du générateur Mainspring fonctionne avec presque tous les carburants, y compris l'ammoniac sans carbone, comme illustré ici. L'ammoniac réagit avec l'oxygène de l'air pour produire de l'azote gazeux et de l'eau, et la force résultante pousse contre les parois de la boîte. Ressort principal

Tout d'abord, le carburant et l'air pénètrent dans une chambre fermée avec des parois d'extrémité mobiles. Ensuite, ces parois d'extrémité se rapprochent l'une de l'autre, comprimant le mélange de carburant et d'air. Lorsque cela se produit, les molécules du mélange entrent en collision de plus en plus vite, jusqu'à ce qu'elles se séparent enfin et se reforment en différentes molécules, libérant l'énergie stockée dans leurs liaisons chimiques. Cette énergie fait que les nouvelles molécules entrent en collision encore plus rapidement et plus souvent, non seulement avec elles-mêmes mais aussi avec les parois de la chambre, augmentant la pression dans la chambre. Tout se passe sans étincelle ni autre source d'inflammation.

La pression pousse les parois vers l'extérieur avec plus de force que celle nécessaire pour les pousser vers l'intérieur au début du cycle. Une fois que ces parois atteignent leur position initiale et que la pression à l'intérieur de la chambre revient à son état initial, un nouveau lot de carburant et d'air s'écoule, poussant les molécules créées par le cycle précédent hors de la chambre et recommençant le processus partout. C'est la théorie. Pour le tester, en 2008, nous avons construit un appareil capable de comprimer un volume 100 fois supérieur à la valeur de départ, puis de se détendre à nouveau. Nous avons utilisé un tube métallique de deux mètres de long et de 50 millimètres de diamètre, avec une paroi fermée à une extrémité et un pion métallique comme paroi mobile. Cet arrangement fonctionne comme un piston qui comprime un gaz à l'intérieur d'un cylindre dans un moteur, même si c'est là que s'arrêtent les similitudes - le "piston" de notre appareil n'était pas attaché à un vilebrequin, ou à quoi que ce soit. J'aborderai dans un instant les limites de ce type d'architecture de moteur pour ce type de réaction, et comment nous les avons résolues avec un nouveau type de machine. Mais c'était un bon point de départ.

Notre premier appareil était très simple : il ne pouvait fonctionner qu'un seul « coup » à la fois, et il ne produisait pas d'électricité ; c'est-à-dire que nous n'avons pas récupéré l'énergie produite. Mais nous pourrions l'utiliser pour mesurer l'efficacité de la réaction, c'est-à-dire la poussée supplémentaire qui doit être appliquée à la paroi mobile lors de l'expansion par rapport à la quantité de carburant utilisée. Et les résultats ont été excellents, l'appareil était efficace comme pile à combustible, comme nous l'avions espéré. Nous devions maintenant construire une version capable de générer de l'électricité et de fonctionner pendant des années à un coût raisonnable. En 2010, Shannon Miller, Adam Simpson et moi avons incorporé Mainspring Energy pour construire un système réel. Khosla Ventures a fourni notre capital d'amorçage initial ; à ce jour, nous avons levé plus de 500 millions de dollars auprès de divers investisseurs, dont Khosla, American Electric Power, Bill Gates et NextEra Energy.

Des générateurs utilisant la réaction de compression sans flamme avaient été construits auparavant dans des laboratoires de recherche, basés sur une architecture classique de moteur à combustion, mais ils étaient limités par la difficulté de contrôler la réaction dans ce type d'appareils. Pour être efficace, le mélange doit être comprimé juste assez pour initier la réaction. Si la compression continue après la réaction, elle lutte contre la pression générée par la réaction, gaspillant de l'énergie. Si la compression s'arrête trop tôt, la réaction ne se produit jamais.

Cette compression optimale varie selon les conditions, à commencer par le choix du combustible : l'hydrogène, par exemple, réagit avec moins de compression que l'ammoniac. Courir à une puissance de sortie partielle au lieu de la pleine puissance ou courir par une journée chaude par rapport à une journée froide, modifie également la compression optimale.

Un moteur conventionnel récolte de l'énergie lorsque la pression supplémentaire générée par la réaction pousse sur un piston, qui pousse sur une bielle pour faire tourner un vilebrequin. La géométrie du vilebrequin contraint le piston à toujours suivre le même mouvement, et donc la même quantité de compression, quoi qu'il arrive. Un tel moteur ne peut pas s'adapter aux changements de compression requis, ce qui rend difficile le contrôle de la réaction.

Ainsi, plutôt que d'imiter un moteur, nous avons conçu une nouvelle machine qui lie directement le mouvement de compression et d'expansion à la génération d'électricité et, ce faisant, fournit le contrôle de réaction nécessaire. Cette machine a fini par avoir un aspect complètement différent d'un moteur conventionnel et n'ayant presque aucune pièce en commun avec celui-ci. Nous avons donc estimé qu'un nouveau nom était nécessaire, et nous l'avons appelé le générateur linéaire.

Imaginez une série de cinq assemblages cylindriques disposés en ligne, maintenus dans un cadre en forme de boîte. Le tube central est la chambre de réaction ; c'est là que vont le carburant et l'air. De chaque côté se trouve une machine électromagnétique linéaire (LEM) qui convertit la poussée de la pression directement en énergie électrique. À chaque extrémité du générateur se trouve une chambre cylindrique remplie d'air qui agit comme un ressort pour faire rebondir la partie mobile du LEM vers le centre. L'ensemble de l'arrangement - deux ressorts pneumatiques, deux LEMS et une chambre de réaction - forme un noyau de générateur linéaire. C'est long et maigre : Une machine d'une puissance nominale de 115 kW mesure environ 5,5 mètres de long et environ 1 mètre de haut et de large.

Le LEM, en principe, est un moteur électrique qui a été déroulé pour former une ligne au lieu d'un cercle. Il se compose d'une partie mobile - le translateur - et d'une partie fixe - le stator. Le traducteur est un long tube droit avec un ensemble d'aimants permanents en néodyme attachés au périmètre, près du centre. Une plaque d'extrémité coiffe chaque tube traducteur et scelle la surface interne de la chambre de réaction. L'extrémité coiffée du traducteur effectue la compression réelle, comme le ferait le piston dans un moteur, mais sa conception est très différente. Le stator est une série de bobines de cuivre. Lorsque le traducteur se déplace d'avant en arrière en ligne droite à l'intérieur des bobines, les aimants génèrent un courant qui alimente un bus CC de 800 volts.

Dans le générateur linéaire de Mainspring, deux traducteurs se déplacent dans une zone de réaction centrale située entre deux ressorts pneumatiques extérieurs. Un ensemble de bobines de cuivre stationnaires entoure chaque traducteur, formant une machine électromagnétique linéaire (LEM). Un cycle commence par l'introduction d'air et de carburant dans la zone de réaction centrale. L'énergie stockée dans les ressorts pneumatiques d'un cycle précédent comprime le mélange jusqu'à ce qu'une réaction sans flamme se produise. La réaction ramène les traducteurs, auxquels des aimants sont attachés, à travers les bobines de cuivre, produisant de l'électricité. La force de ce mouvement comprime également les ressorts pneumatiques, préparant le système pour le cycle suivant.

Cela fonctionne un peu comme un freinage régénératif. Le moteur d'une voiture électrique agit en sens inverse, comme un générateur, pour convertir le mouvement de la voiture en électricité, pour alimenter les batteries. Ici, le LEM convertit l'énergie cinétique du traducteur en électricité.

Notre ordinateur de contrôle ajuste immédiatement le flux de courant à travers les bobines via un réseau de transistors de commutation de puissance pour que le LEM applique plus ou moins de force. Le LEM peut atteindre une position de retournement souhaitée à environ 1/10e de millimètre, puis cibler et atteindre une position de retournement différente lors du cycle suivant. Le système détermine une position de retournement à laquelle le niveau de compression déclenche la réaction juste avant la fin de course, point le plus efficace.

Cette capacité à ajuster automatiquement et rapidement la compression est remarquable à deux égards.

Tout d'abord, le générateur maintient le processus de réaction optimal sur toute la plage de charge, du ralenti jusqu'à la pleine puissance, afin de suivre la demande. Par exemple, si la demande de puissance baisse, le carburant s'écoulera plus lentement et les molécules de carburant seront donc un peu plus diluées ; ils auront besoin d'un peu plus de compression, et notre système fournira juste la bonne quantité.

Un exemple concret du système fonctionnant de cette manière associe nos générateurs à un panneau solaire de toit de 3,3 mégawatts. Lorsque le soleil brille, nos générateurs s'éteignent, et lorsque le soleil se couche ou passe derrière un nuage, nos générateurs s'allument automatiquement en quelques secondes, fournissant immédiatement exactement la puissance nécessaire au bâtiment.

Fournir la compression nécessaire, juste au moment où elle est nécessaire, libère également la capacité de fonctionner efficacement en utilisant des carburants aux propriétés très différentes. Par exemple, l'hydrogène réagit avec peu de compression, mais l'ammoniac en demande beaucoup. Le générateur linéaire est indépendant du carburant : il peut faire fonctionner une large gamme de carburants, notamment le gaz naturel, le biogaz, l'hydrogène, l'ammoniac, le gaz de synthèse et même les alcools sans compromettre les performances.

C'est le LEM. Les éléments restants de l'architecture ont vu le jour alors que nous travaillions pour maintenir l'efficacité inhérente de la réaction dans une vraie machine qui a des pertes minimales comme le frottement et le transfert de chaleur tout en fonctionnant de manière fiable pendant des milliards de cycles.

L'un des choix les plus importants que nous avons dû faire était l'agencement général de la machine. Nous savions que le gaz sous pression devait pousser sur une paroi mobile directement reliée à une force électromagnétique, mais il y avait plusieurs façons d'y parvenir. Au cours de la première année environ, nous, les fondateurs, avec sept autres ingénieurs, avons passé de nombreuses heures devant un tableau blanc à examiner nos options. Finalement, nous avons choisi une disposition symétrique avec deux traducteurs réunis dans un seul cylindre central. Notre mélange carburant-air, légèrement sous pression, entre par les trous à une extrémité. Lorsque les traducteurs s'éloignent de cette extrémité, ces trous sont découverts et, comme le mélange frais est à une pression légèrement plus élevée, il s'écoule dans le cylindre, poussant les matériaux utilisés hors des trous à l'autre extrémité.

Ce choix remplace le train de soupapes du moteur conventionnel - soupapes, sièges, guides, joints, ressorts, culbuteurs, arbre à cames, roulements, chaîne de distribution et lubrification à l'huile - par un simple jeu de trous dans la paroi du cylindre. Un autre avantage de combiner deux traducteurs dans un seul cylindre est la réduction de près de moitié des pertes de transfert de chaleur.

Un technicien de l'une des installations de Mainspring Energy à Menlo Park, en Californie, achemine l'air comprimé d'un ressort pneumatique vers les roulements d'un générateur

PHOTO CRÉATIVE

Un stator est positionné en préparation pour l'assemblage

RESSORT PRINCIPAL

Un technicien prépare les fils de cuivre à enrouler en bobines

RESSORT PRINCIPAL

Un portique déplace un noyau terminé à travers l'atelier de fabrication pour l'assemblage final

RESSORT PRINCIPAL

Notre dernier choix de conception majeur a été d'ajouter une chambre à air à chaque extrémité du générateur. Lorsque les traducteurs se déplacent vers l'extérieur pendant la partie d'expansion du cycle, les extrémités extérieures des traducteurs compriment l'air pur dans les chambres extérieures, stockant ainsi une fraction de l'énergie de réaction. Cette énergie stockée est récupérée par la suite, lorsque l'air comprimé repousse les traducteurs vers le centre pour démarrer le cycle de compression suivant. C'est la même idée que de stocker de l'énergie en comprimant et en relâchant un ressort mécanique. De cette façon, les LEM peuvent appliquer leurs forces de freinage et générer de la puissance dans les deux sens, ce qui nous permet de réduire de moitié leur taille.

Nous laissons également une petite quantité de cet air sous pression sortir de notre système pour alimenter les paliers à air. Par rapport aux roulements lubrifiés à l'huile, les roulements à air ont un frottement plus faible et des joints plus simples. Ils fonctionnent comme un jeu de hockey sur air, où une série de petits trous crée un film d'air sous pression sur lequel la rondelle flotte.

En 2012, environ un an et demi après notre premier tour de table de 10 millions de dollars, nous avons terminé le premier prototype qui produisait de l'électricité. Il n'émettait que 1 kW.

Quelques jours après que nous l'ayons fait fonctionner pour la première fois, l'un de nos investisseurs nous a fait savoir qu'il prévoyait de passer à notre siège social de Menlo Park, en Californie, pour le voir fonctionner. L'ingénieur qui avait fait la majeure partie de la conception électrique s'est rendu compte que, pour une démonstration, nous avions besoin d'un moyen de le voir produire de l'électricité, alors il s'est précipité dans une quincaillerie à proximité, a acheté quelques lampes de travail halogènes et les a branchées directement sur le bus électrique. Bien qu'à peine plus impressionnant que le projet scientifique scolaire dans lequel une pomme de terre alimente une ampoule, cela a prouvé que notre conception fonctionnait.

Mais la puissance était loin de notre objectif commercial, 200 kW, un chiffre que nous avions choisi car il fournirait suffisamment d'énergie pour un magasin de détail typique.

Notre étape suivante a eu lieu fin 2013, lorsque nous avons construit une machine de 50 kW. Et… ça n'a pas marché du tout.

Il avait un problème de démarrage pas rare avec les gros équipements électriques. Un réseau de bobines commutant une haute tension à une fréquence relativement élevée génère beaucoup de bruit électrique. Dans notre appareil, il a été renvoyé à notre capteur de position et a fait vibrer le LEM, créant un son que nous avons appelé "les craquements". Nos ingénieurs électriques et de contrôle ont pu résoudre le problème et l'éliminer.

Mais ensuite, nous nous sommes heurtés à un mur, littéralement : le côté du traducteur raclait le long de la paroi du cylindre chaque fois que nous essayions de produire plus de quelques kilowatts.

Les segments qui se chevauchent dans la conception d'étanchéité brevetée de Mainspring permettent à l'anneau de conserver son efficacité même lorsqu'il s'use. L'appareil ne nécessite aucun ajout de lubrifiant. RESSORT PRINCIPAL

Pour expliquer ce qui s'est passé, je dois décrire un autre composant de notre générateur linéaire : le joint entre le traducteur et la paroi du cylindre. Ce joint existe pour empêcher le gaz sous pression de s'échapper tout en permettant au traducteur de glisser.

En règle générale, vous utiliserez une couche d'huile liquide entre les deux pièces pour éviter les frottements. Mais rappelez-vous, nous ajoutons de l'air frais et du carburant dans le cylindre à travers des trous dans la paroi du cylindre, et si nous utilisions un lubrifiant liquide dans cet arrangement, il serait presque impossible de l'empêcher d'entrer dans le mélange de carburant et de brûler pendant le processus de réaction, créant des émissions nocives.

Nous avons donc décidé de développer un système d'étanchéité sans huile. Cela a bien fonctionné dans notre appareil de 1 kW, et nous avons donc mis à l'échelle la même conception pour le modèle de 50 kW. Mais bien que la machine soit devenue plus grande, les exigences de dégagement sont restées les mêmes dans l'absolu et étaient donc plus strictes dans un sens relatif. Cela a permis à de minuscules distorsions dans les composants de créer des points de friction, provoquant de nouvelles distorsions, se terminant par un problème de grattage incontrôlable.

Après des mois d'essais de divers ajustements, nous ne pouvions toujours pas dépasser environ 20 % de la pleine puissance sans gratter. Nous avons donc jeté l'ancienne conception d'étanchéité et recommencé. Nous avons fini par inventer un assemblage de bague d'étanchéité en carbone unique qui flotte indépendamment du traducteur, qui peut se dilater à mesure qu'il s'use, maintenant ainsi son étanchéité.

Cela a résolu le problème et, quelques mois plus tard, nous avons fonctionné à pleine puissance pendant des centaines d'heures. La prochaine grande étape de mise à l'échelle - de 50 kW à 100 kW - a été moins difficile et a abouti à notre premier prototype officiel, que nous avons installé dans le parking derrière notre bâtiment.

Nous devions encore rendre le générateur linéaire abordable. La technologie avait l'avantage d'utiliser moins de pièces que les moteurs ou les turbines et de ne pas avoir le coûteux catalyseur des piles à combustible. Mais nous avons dû déterminer la conception de l'emballage, l'ingénierie pour la fabrication à grand volume et la chaîne d'approvisionnement pour un produit que nous avons décidé de comprendre deux générateurs linéaires côte à côte pour une puissance totale de 230 kW. Nous avons fait quelques erreurs en cours de route.

L'un d'entre eux important concernait nos efforts pour réduire le coût de la fixation physique du réseau d'aimants à l'extérieur du tube traducteur. Dans les prototypes, nous avons fixé les aimants contre le tube en enroulant de la fibre de Kevlar imprégnée de résine autour de l'extérieur des aimants collés. Lors de notre première tentative de réduction des coûts, nous sommes passés à une enveloppe en tissu imprégné qui s'appliquait plus rapidement et plus facilement, mais après avoir construit quelques unités avec cette approche, nous avons découvert que des aimants se détachaient sous l'enveloppe. Nous sommes donc revenus à l'approche bobinée-Kevlar, et avons finalement réduit son coût en développant un processus de bobinage automatisé.

Le premier produit commercial de Mainspring Energy contient deux noyaux de générateur linéaire. Cette unité, installée à l'extérieur d'un magasin dans le nord de la Californie, peut produire jusqu'à 230 kilowatts de puissance.MAINSPRING

Enfin, en juin 2020, au plus fort de la pandémie de COVID, une équipe a tiré un camion à plateau jusqu'à notre siège social de la Silicon Valley, a chargé le premier générateur linéaire de production au monde et l'a conduit sur 30 kilomètres jusqu'à un client payant. site—partie d'une chaîne nationale de vente au détail. Quelques jours plus tard, nous avons basculé l'interrupteur et nous étions en affaires ! Quelques mois plus tard, nous avons livré notre deuxième unité à un magasin Kroger dans le sud de la Californie, et peu de temps après, une paire d'unités est allée dans un entrepôt frigorifique de Lineage Logistics.

Lorsque nous avons démarré l'entreprise, nous avons optimisé le premier générateur pour le gaz naturel car il était alors le plus largement disponible, le moins cher et relativement propre. Même s'il produit des émissions de carbone, l'efficacité de notre système le rend plus écologique que les générateurs traditionnels qu'il remplace.

Nous considérons notre générateur linéaire comme la pierre angulaire d'un réseau zéro carbone en raison de sa flexibilité unique : il peut gérer presque toutes les échelles de puissance, des unités simples aux baies connectées au réseau ; il est facilement autorisé et installé partout où l'électricité est nécessaire ; et il fonctionne avec presque n'importe quel carburant. Nous avons fait tourner une de nos unités de stockage à l'hydrogène et à l'ammoniac anhydre. Nous avons un projet client utilisant du biogaz renouvelable dans une décharge. Nous prévoyons de commencer à exploiter d'autres projets de biogaz dans les usines de traitement des eaux usées et les digesteurs de déchets laitiers cette année. Nous nous préparons à déployer des réseaux pouvant aller jusqu'à des dizaines de générateurs pour des opérations à grande échelle, comme la recharge de camions électriques. Et nous concevons maintenant des versions plus grandes à l'échelle des services publics dans la gamme de puissance du mégawatt. Ceux-ci utiliseront tous la même technologie de base sans aucun changement de conception radical.

Et oui, professeur Edwards, nous pensons avoir répondu à cette question que vous avez postée il y a environ 20 ans : "Quel est le moyen le plus efficace et le plus pratique possible de convertir l'énergie des liaisons chimiques en travail utile ?" C'est le générateur linéaire.